Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про групповая робототехника, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое групповая робототехника, ройная робототехника , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Робототехника.
Робототехника Swarm - это подход к координации нескольких роботов как системы, состоящей из большого количества в основном простых физических роботов . Предполагается, что желаемое коллективное поведение возникает в результате взаимодействия между роботами и взаимодействия роботов с окружающей средой. Этот подход появился в области искусственного роевого интеллекта , а также в биологических исследованиях насекомых, муравьев и других областях в природе, где происходит поведение роя .
Исследование роевой робототехники заключается в изучении конструкции роботов, их физического тела и их контролирующего поведения . Это вдохновило , но не ограничивается в поведении эмерджентнога наблюдается в социальных насекомых , называемом роя разведкой . Относительно простые индивидуальные правила могут вызвать большой набор сложных поведений роя . Ключевой компонент - это общение между членами группы, которое выстраивает систему постоянной обратной связи. Поведение роя предполагает постоянное изменение индивидуумов в сотрудничестве с другими, а также поведение всей группы.
В отличие от распределенных робототехнических систем в целом, ройная робототехника делает упор на большое количество роботов и способствует масштабируемости , например, за счет использования только локальной связи. Эта локальная связь, например, может быть достигнута с помощью систем беспроводной передачи, таких как радиочастота или инфракрасный порт .
Исследование групповой робототехники — это изучение конструкции роботов, их внешнего вида и контроля поведения. Ее появление связано (но не ограничивается) с системным эффектом поведения, наблюдаемого у социальных насекомых и называемого роевым интеллектом. Относительно простые правила индивидуального поведения могут создавать сложное организованное поведение всего роя. Ключевым моментом является взаимодействие между членами группы, которое создает систему постоянной обратной связи. Поведение роя включает постоянную смену участников, взаимодействующих друг с другом, а также поведение всей группы в целом.
В отличие от просто распределенных робототехнических систем, групповая робототехника подчеркивает большое количество роботов, а также предполагает масштабируемость, например, с использованием только локальной связи. Эта локальная связь может быть сделана, например, на базе беспроводных систем передачи данных в радиочастотном или инфракрасном диапазонах.
Важным инструментом для систематического изучения поведения группы является видеотрекинг, хотя имеются и другие методы отслеживания. Недавно[когда?] в лаборатории робототехники Бристоля разработали ультразвуковую систему слежения за роем для исследовательских целей. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти методики, которые обеспечат достоверный прогноз поведения группы, когда заданы только свойства отдельных ее членов.
Миниатюризация и стоимость - ключевые факторы в роевой робототехнике. Это ограничения при создании больших групп роботов; поэтому следует подчеркнуть простоту отдельного члена команды. Это должно мотивировать интеллектуальный подход к рою для достижения осмысленного поведения на уровне роя, а не на индивидуальном уровне.
Многие исследования были направлены на достижение простоты на уровне отдельных роботов. Возможность использовать реальное оборудование для исследования Swarm Robotics, а не для моделирования, позволяет исследователям обнаруживать и решать гораздо больше проблем, а также расширять сферу исследований Swarm Research. Таким образом, разработка простых роботов для исследования разведки Swarm - очень важный аспект этой области. Цели включают в себя снижение стоимости отдельных роботов для обеспечения масштабируемости., делая каждого члена роя менее требовательным к ресурсам и более энергоэффективным.
По сравнению с отдельными роботами, рой обычно может разложить заданные миссии на свои подзадачи; Рой более устойчив к частичному отказу роя и более гибок в отношении различных задач .
Одной из таких роевых систем является роботизированная система LIBOT , в которой используется недорогой робот, созданный для уличной робототехники. Роботы также сделаны с приспособлениями для использования внутри помещений через Wi-Fi, поскольку датчики GPS обеспечивают плохую связь внутри зданий. Еще одна такая попытка - микроробот (Colias) , построенный в Лаборатории компьютерного интеллекта Университета Линкольна , Великобритания. Этот микроробот построен на 4-сантиметровом круглом шасси и представляет собой недорогую открытую платформу для использования в различных приложениях Swarm Robotics.
У роевой робототехники много потенциальных применений. К ним относятся задачи, требующие миниатюризации ( наноробототехника , микроботика ), такие как задачи распределенного зондирования в микромашинах или человеческом теле . Одно из наиболее многообещающих применений роевой робототехники - это спасательные операции при бедствиях . Стаи роботов разных размеров могут быть отправлены в места, куда спасатели не могут безопасно добраться, чтобы обнаружить присутствие жизни с помощью инфракрасных датчиков. С другой стороны, групповая робототехника может быть подходит для задач, требующих дешевых конструкций, например , добычи полезных ископаемых и сельскохозяйственных нагула задач .
Более спорно, рои военных роботов могут образовать автономную армию. Военно-морские силы США испытали рой автономных катеров, которые могут самостоятельно управлять и вести наступательные действия. Лодки беспилотные и могут быть оснащены любым оборудованием для сдерживания и уничтожения судов противника.
Во время гражданской войны в Сирии российские силы в регионе сообщали об атаках на их главную военно-воздушную базу в стране роем самолетов с неподвижным крылом, загруженных взрывчаткой. [10]
Большинство усилий было сосредоточено на относительно небольших группах машин. Однако в 2014 году Гарвард продемонстрировал рой, состоящий из 1024 отдельных роботов, и стал крупнейшим на сегодняшний день. [11]
Еще один большой набор приложений может быть решен с помощью роев микровоздушных аппаратов , которые также широко исследуются в настоящее время. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . По сравнению с новаторскими исследованиями скоплений летающих роботов с использованием точных систем захвата движения в лабораторных условиях [12] современные системы, такие как Shooting Star, могут управлять группами из сотен микрометров на открытом воздухе [13] с использованием систем GNSS (таких как GPS) или даже стабилизировать их с помощью бортовых систем локализации [14], где GPS недоступен. [15] [16] Стаи микровоздушных аппаратов уже были испытаны в задачах автономного наблюдения [17], слежения за шлейфом [18] и разведки в компактной фаланге. [19] Были проведены многочисленные работы по совместным группам беспилотных наземных и воздушных транспортных средств с целевыми приложениями совместного мониторинга окружающей среды, [20] одновременной локализации и картирования , [21] защиты конвоев, [22] и определения местоположения и отслеживания движущихся целей. [23]
Кроме того, был достигнут прогресс в применении автономных роев в области производства, известной как 3D-печать роя . Это особенно полезно для производства больших конструкций и компонентов, где традиционная 3D-печать не может быть использована из-за ограничений размера оборудования. Миниатюризация и мобилизация массы позволяет производственной системе достичь масштабной инвариантности , не ограничиваясь эффективным объемом сборки. Находясь на ранней стадии разработки, рой 3D-печать в настоящее время коммерциализируется стартапами. Использование процесса аддитивного производства металлов с использованием быстрой индукционной печати, Rosotics [24]была первой компанией, которая продемонстрировала роевую 3D-печать с использованием металлической полезной нагрузки, и единственной, которая добилась металлической 3D-печати с бортовой платформы. [25]
Основа программного кода будущего, т.е. диффузный прикладной код, базируется на трех основных принципах:
Например, алгоритм BEECLUST был сделан нами на основе информации о поведении молодых пчел в сложных температурных условиях. Это коллективное поведение позволяет пчелам всегда находить место с наиболее подходящей им температурой (глобальный оптимум) среди всех теплых мест (локальных оптимумов). Базовые принципы взаимодействий были извлечены из видео наших экспериментов с настоящими пчелами, которые мы проводили в нашей лаборатории. Эти принципы были затем выражены в виде простого компьютерного алгоритма, который был заложен в группу автономных роботов, что позволяло им совместными усилиями находить такие оптимумы в их окружении. BEECLUST — наиболее простой из ныне существующих роевых алгоритмов, и тем не менее он достаточно эффективен.
Между роботами должна быть налажена коммуникация. Разработкой этих компонентов мы занимаемся в сотрудничестве с нашими партнерами с технологической стороны. По сути своей мы — биологическая лаборатория и работаем вместе с коллегами из инженерных областей — мехатроники, электроники, сенсорики.
Для проектов SYMBRION и REPLICATOR было создано несколько дюжин кубических роботов (примерно 10×10×10 см), каждый из которых был автономным роботом, передвигавшимся при помощи гусениц или винтов. Все элементы имели шарниры, благодаря которым могли сгибаться, и четыре стыковочных порта, позволявших физически соединяться с другими роботами, равно как и отсоединяться. Благодаря этому роботы могут формировать группу ячеек, которые соединяются, чтобы образовать более сложные «организмы» различных видов и форм.
Для управления этим процессом «эмбриогенеза» мы разработали программу, называющуюся «Виртуальный эмбриогенез» (сокращенно ВЭ), большой вклад в разработку которой внес мой коллега доктор Рональд Тениус. Эта программа основана на знаниях об эмбриогенезе животных. В ВЭ в роботах воплощена модель биологического эмбриогенеза, в которой активация генов влечет за собой производство веществ (морфогенов), распределяющихся и создающих градиенты концентрации в теле эмбриона. Впоследствии локальная концентрация таких морфогенов определяет активацию или блокировку экспрессии других генов. Эта система очень сложный каскад взаимодействий генов и морфогенов, который можно, по сути, рассматривать как настоящую «программу», согласно которой эмбриогенез продвигается. В ВЭ роботы действуют по такой модели процессов, «включая» и «выключая» виртуальные гены в зависимости от локальной концентрации морфогенов, на которую, в свою очередь, влияет активация генов. Эти уровни концентрации виртуальных морфогенов также зависят от похожего на диффузию процесса коммуникации между соседствующими роботами. В конечном итоге концентрации виртуального морфогена влияют на стыковочные порты, и таким образом многомодульный роботический организм может расти и перестраиваться.
Чтобы позволить такому роботическому «многоклеточному» организму демонстрировать поведенческие паттерны наподобие хождения, мы разработали другую программу, которую назвали «Искусственной гомеостатической гормонной системой» (ИГГС), также известную как «гормональный контроллер». Этот контроллер похож по механизму действия на вышеописанный виртуальный эмбриогенез. Каждый элемент выделяет (передает) субстанции, которые исполняют роль гормонов, в свое окружение. Эти субстанции локально добавляются и убираются из системы согласно правилам, которые могут быть воплощены исходя из локальной концентрации гормонов. Эти правила аналогичны «геному» элемента. В противоположность «Виртуальному эмбриогенезу», который используется для того, чтобы «выращивать» организм путем координирования стыковки индивидуальных роботов, ИГГС используется, чтобы позволить организму передвигаться. На концентрации гормонов также влияет информация от сенсоров, и они, в свою очередь, влияют на механизмы передвижения элементов. Таким образом, это представляет собой систему переработки информации, которая двигает целый роботический организм.
Одно преимущество этой системы состоит в том, что возникающие градиенты концентрации гормонов могут также разделить организм на части, в которых могут выполняться разные программы. Например, ноги могут выполнять программу, которая будет отличаться от той, по которой действует позвоночный столб, причем вне зависимости от того, сколько ног у этого организма. И, основываясь на информации, которая приходит от разных сенсоров, организм может переключаться между программами. Например, если аккумулятор садится, «голодный» организм может двигаться иначе, нежели «сытый» организм. Таким образом, эта программа, построенная по прообразу системы гормональной регуляции животных, берет в расчет форму тела, благодаря сенсорам реагирует на условия среды и может управлять поведением или механизмом принятия решений о том, как себя вести. Эта система была разработана мной в сотрудничестве с моими коллегами — докторами Хайко Хаманном, Юргеном Страднером и Паямом Захадатом.
При использовании подхода Evo-Devo (evolution of development — эволюционной биологии развития), который являет собой сочетание биологии развития и эволюционной теории. Согласно этому подходу эмбриогенез и эволюция — взаимосвязанные процессы, поскольку эволюция основана на генных адаптациях, которые влекут за собой адаптацию развивающегося организма, и то, насколько организм приспособлен к условиям, влияет на его эволюционную судьбу. В наших методах, таких как вышеописанные ВЭ и ИГГС, все программы/правила встроены в структуру данных, называемую «геномом», и путем применения техник эволюционных вычислений мы адаптируем эти геномы в зависимости от того, насколько организм преуспевает. Мы также пользуемся экологическими знаниями при разработке таких систем роботов, поскольку у нас всегда имелось множество искусственных организмов, «живших» в одной среде обитания, что могло порождать сотрудничество и конкуренцию. Мы разработали серию экспериментов, в которых поместили организмы в такие условия, где они должны были либо конкурировать, либо сотрудничать с другими организмами. Таким образом, эволюция кооперации происходила косвенно, поскольку только те, кто успешно кооперировал или конкурировал, достигали конечной цели.
Проект SubCULTron будет первым случаем применения такого количества (150+) скоординированных автономных роботов в реальном мире для отслеживания Венецианской лагуны. Настоящее положение вещей таково, что если группа роботов большая, то она действует только в пределах лаборатории, а в поле оперирует только очень маленькое количество роботов. Однако даже такие испытания вне лаборатории кратковременны и частично контролируются исследователями. В нашем проекте subCULTron мы пошли намного дальше: роботы будут оперировать в лагуне долгое время — несколько дней или даже недель — и будут практически на 100% автономны.
В других проектах, ASSISIbf и FloraRobotica, роевые алгоритмы используются в комбинации с живыми организмами — настоящими пчелами, муравьями или растениями. В будущем это может помочь в животноводстве, мониторинге животных и сельском хозяйстве. Например, в ASSISIbf мы совмещаем роботов с живыми пчелами и настраиваем механизмы поведенческой обратной связи. Это значит, что пчелы влияют на роботов, а роботы, в свою очередь, влияют на пчел, что в итоге ведет к слиянию двух «обществ» — роботов и пчел — в одно. В дополнение к этому мы используем эволюционные вычисления и машинное обучение, чтобы адаптировать роботов к поведению пчел.
На данный момент здесь есть две основные цели исследований:
1) эволюционным путем получить программу, которая позволила бы группе роботов примерно оценить локальную плотность пчел вокруг них, то есть это задание по эволюции коллективного восприятия;
2) получить тем же методом программу, которая позволила бы заставить пчел выполнить требуемую задачу, например собраться в нужном месте.
Это задача на эволюцию коллективного выполнения действий.Возможность получать информацию от/о популяции животных, равно как и возможность их контролировать (без принуждения), может быть очень полезна при содержании и для управления животными, даже паразитическими. Помимо всего прочего, это может быть более человечный способ обращения с животными, поскольку мы тем самым не заставляем их что-то делать, а «убеждаем» это сделать — например, собираем в определенном месте, используя привычные для них стимулы. Наши роботы изображают из себя таких же животных и таким образом получают право голоса в животном сообществе.
У эволюционных вычислений есть одна большая проблема, заключающаяся в сложности поведения, которое они порождают. Например, достаточно легко эволюционным путем получить программы, позволяющие избежать столкновения или найти нужную цель, однако с поведением более высокого уровня все намного сложнее. Эволюция обычно решает в пользу самого простого («дешевого») решения, которое тем или иным образом подходит.
Групповая робототехника строится на создании сложных вещей из маленьких простых элементов. И эволюционная групповая робототехника — это перспективное направление, поскольку оно совмещает взаимовыгодную комбинацию групповой робототехники и эволюционных вычислений. Однако эта сфера пока еще мало изучена, поскольку сложно обустроить необходимые структуры. Наиболее интересным подвидом эволюционной групповой робототехники является использование непрерывной встроенной эволюции в реальных роботах. Это значит, что эволюционный алгоритм управляет всеми роботами одновременно в режиме реального времени. Тут достаточно много технических нюансов, поскольку это требует хорошей нецентрализованной коммуникации и длительного времени действия.
Как уже говорилось ранее, самоперестраивающиеся, самопрограммирующиеся, самоадаптирующиеся группы роботов будут прекрасными инструментами для исследования неизведанных земель с потенциально суровыми условиями. Наиболее очевидные примеры — это, конечно, морские глубины и другие планеты. В ближайшем будущем применения будут в области мониторинга условий среды, или в ввоенном деле или для индустрии развлечений. . Так что тут еще имеет место «игрушечный фактор», поэтому я ожидаю, что в скором времени появятся игрушки на основе групповой робототехники и что люди начнут играть с ними и думать, что еще можно с ними сделать, так что тут еще есть некий научно-просветительский компонент.
Дрон-дисплей обычно используются несколько освещенных дронов ночью для художественного показа или рекламы.
Основной сюжет « Большого героя 6» Диснея включал в себя использование стай микроботов для формирования структур.
Робототехника Swarm используется в тамильском фильме Enthiran и его продолжении 2.0 .
А как ты думаешь, при улучшении групповая робототехника, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое групповая робототехника, ройная робототехника и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Робототехника
Комментарии
Оставить комментарий
Робототехника
Термины: Робототехника